Dit artikel geeft de achtergrond en de uitleg van de THD en IEC61000-3-2 gerelateerde meetgegevens die bij de lampen worden gepubliceerd.

Dit houdt het lampmeetartikel kort en overzichtelijk, terwijl de lezer bij vragen in dit artikel meer uitleg kan vinden.

Update 2014: in 2014 is de norm vernieuwd, de IEC 61000-3-2-2014.  Mbt de in dit artikel beschreven aspecten is er geen verandering.

Harmonische vervorming en conformiteit aan IEC 61000-3-2:2006

Stroom- en spanningsvorm
OliNo meet de spanningsvorm over en stroomvorm door de lampen. Daarvan maakt het een plaatje ter visualisatie, en tevens een plaatje van het vermogensspectrum van de stroom.

De spanning over en de stroom door een 50 W halogeenlamp met halogeentrafo

De spanning over en de stroom door een 17.5 W led-TL buis

Aan het plaatje van de stroom- en spanningsvorm is te zien in hoeverre de stroom een mooie sinusvorm heeft en in fase loopt met de spanning. Mocht de stroomvorm niet een mooie sinus zijn, dan is dat een indicatie dat er meerdere harmonischen inzitten. Dat wil zeggen dat de totaalstroom kan opgebouwd worden uit de som van een sinusvormige stroom + een set van sinuvormige stromen met hogere frequenties (een harmonische is en sinusvorm met een bepaalde frequentie). Ook zijn eventuele steile flanken te zien, en wanneer deze er zijn, dan is dat ook een indicator van een aantal hogere harmonischen. Hoe steiler de flanken, des te meer harmonischen met een hoge frequentie.

De harmonische inhoud

Harmonische inhoud van de stroom door de 50W halogeen + trafo

Hamonische inhoud van een 17.5 W led tl buis.

De zojuist gegeven twee plaatjes laten de harmonische inhoud van de stroom zien die door de lampen (+ eventuele eigen transformator) loopt. De zwarte paaltjes geven aan de amplitudes van de sinusvormige stromen en de x-as geeft aan welke frequentie die sinus heeft. Eén harmonische wordt dus weergegeven door één paaltje op de x-as en dit paaltje geeft van de harmonische aan (1) de amplitude (tov de eerste harmonische bij 50 Hz) en (2) de frequentie (in hertz, zie daarvoor de x-as).

De som van al deze harmonischen zal dus leiden tot de stroomvorm zoals weergegeven in de eerste plaatjes.

In deze laatste plaatjes is ook aangegeven wat de norm toestaat. De NEN-EN IEC 61000-3-2:2006 (plus amendementen 1 en 2) geeft maximumwaardes aan voor harmonischen voor verlichtingsapparatuur (klasse C in de norm). In amendement 2 wordt vermeld dat er specifieke limieten zijn voor verlichting > 25 W en <= 25 W. Dit is in de plaatjes ook te zien. De toegestane harmonische limieten voor de 17.5 W led-TL buis zijn anders dan voor de 50 W halogeenlamp. Voor de lamp <= 25 W zijn twee limieten gedefinieerd ALS het een gasontladingslamp betreft; voor de 3e en de 5e harmonische . Voor andere type verlichting met een vermogen van <= 25 W gelden er GEEN harmonische limieten! Voor de gasontladingslampen <= 25 W geldt tevens een specifieke eisen vwb de stroomvorm, hierop wordt later teruggekomen.

De 50 W halogeen lamp + stroombron voldoet aan de norm; de zwarte paaltjes vallen in de groene paaltjes die de limieten aangeven. De led-indicatoren bovenaan geven aan per harmonische (dus per frequentie) of die harmonische aan de gestelde limiet voldoet. Een groene indicator wil zeggen dat eraan voldaan wordt (of dat er geen limiet is).

De led-TL buis met een verbuik van <= 25 W kent geen norm voor harmonischen.

Eis aan stroomvorm voor verlichting <= 25 W

De NEN-EN-IEC 61000-3-2:2006/A2:2009 (dit is amendement 2 uit 2009) geeft een extra set van eisen aan de opgenomen stroomvorm, dit voor alleen gasontladingslampen.

Check op de stroomvorm door een denkbeeldige gasontladingslamp

De extra eisen zijn:

1. de golfvorm van de stroom bereikt 5 % van de maximale waarde op zijn laatst bij 60º
2. de golfvorm van de stroom bereikt de maximale waarde op zijn laatst bij 65º
3. de golfvorm van de stroom is afgezakt tot 5% van de maximale waarde op zijn vroegst bij 90º

Indicatoren boven de halve golfvorm geven aan of aan iedere afzonderlijke eis voldaan wordt.

Eis aan de spanningsvorm

Er is tevens een eis aan de spanningsvorm van de spanning die gebruikt wordt om de lampen te voeden. Deze eisen stellen (o.a.) limieten aan de harmonische inhoud van de spanningsvorm.

Spanningsvorm bij de 50 W halogeenlamp als belasting

Spanningsvorm bij de 17.5 W led-TL buis als belasting

De spanningsvorm voldoet niet aan de NEN-EN-IEC 61000-3-2:2006 limieten gesteld aan de harmonischen. De plaatjes geven aan bij welke harmonischen het misgaat. De overschrijdingen zijn niet groot, echter rekening moet gehouden worden dat een niet perfecte spanningsvorm ook zijn invloed zal hebben op de stroomvorm. De spanningsvorm is bij deze voorbeelden niet volgens de norm; de resultaten voor de stromen moeten gezien worden als (serieuze) indicatie.

Noot: de eisen aan de spanning zijn behoorlijk zwaar. Zelfs wanneer er nauwelijks belasting is op het stuk netwerk waar het meettool zit en wanneer de sinus van de spanning er goed uitziet, dannog wordt aan de eis niet voldaan. Dit is gezien bij het dimmen van een lamp en daar wordt in de volgend paragraaf op teruggekomen.

Dimmen

Er staat in de genoemde norm ook iets over dimmen. Wanneer de lamp dimbaar is en gedimd wordt, dan dient de lamp in 5 dimstanden gemeten te worden en de minst gunstige resultaten zijn dan geldig.

Een voorbeeld bij een lamp die gemeten is wanneer deze gedimd werd.

De norm stelt dat er op 5 verschillende mechanische posities van dimmen ingesteld moet worden en dan de meest ongunstige situatie eruit te nemen.

Geen dimmen (100%), dan 75 %, dan 50 %, dan 25 % dan 0 % (maximaal dimmen)

De situatie is het minst gunstig bij 75 % en 50 % lichtoutput (dus een beetje dimmen en de dimmer op de helft). Er zijn echter geen eisen aan de harmonische inhoud.

De spanning zelf (en dit heeft niets te maken met de lamp zelf) voldoet niet aan de harmonische inhoudseis van de norm.

Geen dimmen (100%), dan 75 %, dan 50 %, dan 25 % dan 0 % (maximaal dimmen)

In geen van de situaties is het voltage goed genoeg. Dat terwijl bij 25 % en 0 % het voltage er heel mooi sinusvormig uitziet, zie daarvoor onderstaande plaatjes.

Geen dimmen (100%), dan 75 %, dan 50 %, dan 25 % dan 0 % (maximaal dimmen)

Het voltage ziet er steeds beter uit als een mooie sinus, en dan blijkt toch dat de harmonische inhoud niet voldoet aan de eisen door de IEC norm gesteld. De 3e harmonische is veel afgenomen, maar de 5e en 7e voldoen steeds niet. Het is dus niet te verwachten dat in de toekomst bij de OliNo metingen de spanning zal voldoen aan de IEC eisen.

In ieder geval is de dimmer + de lamp geen probleem vwb de harmonische inhoud.

Total Harmonic Distortion

De totale harmonische vervorming heeft veel verband met hetgeen uitgelegd over de conformiteit aan IEC 61000-3-2:2006. In deze uitleg ging het al over harmonischen en de harmonische inhoud van de stroomvorm. De Total Harmonic Distortion is een maatgevend getal over de totale harmonische inhoud van de stroomvorm.
Even iets over harmonische stromen. Deze geven een aantal nadelen, zie hiervoor een uitgebreide opsomming door Bas van Duijnhoven:
Harmonischen kunnen problemen veroorzaken in de installaties die upstream van de verbruiker liggen. Die dus de verbruiker voeden, deze effecten vergroten de kosten van de voedende installatie en dit zijn dus de verdekte kosten van een (LED) verlichtingsinstallatie. Zie in dit verband ook een interessante publicatie van Schneider.

1. Hogere harmonische kunnen elektromagnetische velden veroorzaken die andere apparatuur beïnvloeden (ook wel EMC). De toegestane hoeveelheid harmonischen is gespecificeerd in NEN-EN-IEC 61000-3-2
2. Hogere harmonischen genereren extra stromen tijdens het leveren van vermogen aan de last, dit resulteert in extra verwarming in kabels en verdelers
3. Hogere harmonischen veroorzaken grotere spanningsval over kabels omdat de X (de imaginaire of inductieve weerstand) van een kabel afhankelijk is van de frequentie van het signaal. Verder gaan door het skin effect de hogere harmonische stromen maar aan de buiten zijde van de kern lopen waardoor ook de spanningsval en het vermogens verlies toeneemt. Voordeel is wel dat door deze effecten de harmonische stromen wat worden gedempt
4. In driefasen systemen veroorzaken veelvouden van de 3e harmonischen een stroom in de nul (deze stromen worden in de nul niet meer opgeheven maar opgeteld). Hierdoor kan bij een groot aandeel van deze stromen de nul overbelast raken tov de fase aders. En daarbij ook extra spanningsval veroorzaken. Veel huisinstallaties hebben een een-fase aansluiting en hierin speelt dit probleem niet, maar in de voedende kabels van het energiebedrijf en grotere installaties in kantoren en andere grotere gebouwen kennen dit probleem wel.
5. 3 fasen transformatoren: in het voedende deel van de installatie (energie bedrijf of eigen trafo van een gebouw) worden door grote hoeveelheden harmonischen extra belast. Wel is het zo dat alle veelvouden van de 3e harmonische voor de trafo niet meer aanwezig zijn (de trafo filtert deze eruit, voor de in NL gebruikte trafo’s met een driehoek wikkeling primair en ster wikkeling secundair)
6. Indien generatoren gebruikt worden voor het voeden van installatie met veel harmonischen moeten deze juist gedimensioneerd worden om de hoger harmonische stromen te kunnen leveren. g) Energiebedrijven stellen in hun aansluit voorwaarden (die niemand echt goed leest) voorwaarden aan de maximale hoeveelheid harmonischen op het aansluitpunt. Deze voorwaarden gelden niet voor huishoudlijke aansluitingen maar wel voor grotere aansluitingen van bijv. kantoorgebouwen. Indien de grenswaarde wordt overschreden moeten in principe aan de verbruikerkant maatregelen (filters) genomen worden om deze harmonischen te beperken.
7. Indien apparatuur ter verbetering van de cos-phi is aangebracht kan deze worden beïnvloed door het optreden van hogere harmonische stromen. In deze apparatuur moeten dan zuig-filters worden opgenomen om deze stromen in de cos-phi verbeteringsinstallatie te voorkomen.

Hierbij dus een hele hoop redenen om hogere harmonischen te beperken, wat gedaan kan worden o.a. in de verbruiker zelf; dus in het geval van lichtbronnen, in de voedingsunit die in de lichtbron zelf gebouwd zit of wordt meegeleverd. Er zijn verschillende technieken voor, wat varieert van passieve powerfactor correctie door middel van spoelen of condensatoren, tot actieve powerfactor correctie waarbij de afgenomen stroomvorm actief wordt bijgestuurd om het te laten lijken op een sinus en om deze in fase te laten zijn met de spanning.

De berekening van de THD, volgens IEC 61000-3-2:2006

De THD is de ratio tussen de r.m.s. waarde van de som van de harmonische componenten (harmonische 2 tot en met 40, dus van 100 – 2000 Hz en niet de grondharmonische) en de r.m.s. waarde van de fundamentele component (de grondharmonische, met 50 Hz).

Het resultaat dat gegeven wordt is in %, dus de waarde wordt vermenigvuldigd met 100.